W latach 50-tych A. Bohr i B. Mottelson zaproponowali kolektywny model jądra atomowego, w myśl którego nisko leżące stany wzbudzone jąder atomowych są związane ze skoordynowanym ruchem protonów i neutronów. Ten model spotkał się z powszechnym uznaniem środowiska fizyków jądra atomowego, a jego autorzy otrzymali Nagrodą Nobla w 1975 r. Kolektywne wzbudzenia jąder atomowych można wytłumaczyć w analogii do ruchu kibiców podczas meczu piłki nożnej: każdy z nich może wstać i poruszać się niezależnie od innych (jak poszczególne protony i neutrony, które przemieszczają się z jednego orbitalu na drugi), ale mogą też wspólnie utworzyć „falę” przemieszczającą się wokół stadionu, która jest zjawiskiem kolektywnym. W jądrach atomowych zachowania kolektywne mają formę ruchu obrotowego lub oscylacji, w które jest zaangażowane wiele nukleonów, lub nawet większość z nich.

Izotopy kadmu od ponad 40 lat odgrywają kluczową rolę w badaniach wzbudzeń kolektywnych w jądrach atomowych. Początkowo uważano, że ich struktury można opisać w ramach kolektywnego modelu wibracyjnego, w którym jądro atomowe wykonuje niewielkie oscylacje (drgania) wokół kulistego kształtu równowagi.  Późniejsze wyniki doświadczalne zainspirowały wykonanie nowych obliczeń przy pomocy zaawansowanych modeli teoretycznych struktury jądra atomowego, w myśl których poszczególne stany wzbudzone w jądrach atomowych ¹¹⁰Cd i ¹¹²Cd przyjmują różne kształty elipsoidalne (na przykład wydłużone jak piłka do rugby lub cukinia, lub spłaszczone jak frisbee lub dynia). Z drugiej strony, rozwijane równolegle alternatywne podejścia teoretyczne są w stanie pogodzić istniejące dane eksperymentalne dla tych jąder z ich praktycznie sferycznym kształtem.

Najnowsze eksperymenty przeprowadzone w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów pozwoliły na rozstrzygnięcie pomiędzy tymi dwoma fundamentalnie różnymi opisami struktury jąder kadmu poprzez wyznaczenie kształtów dwóch kluczowych stanów w jądrze ¹¹⁰Cd. Zarówno stan podstawowy, jak i stan wzbudzony 0⁺ odbiegają od kształtu sferycznego, a w szczególności pierwszy z nich przypomina owoc kiwi (lub elipsoidę, której wszystkie osie są różnej długości). Dodatkowo, zmierzone momenty kwadrupolowe (czyli parametry rozkładu ładunku) najniższych dwóch stanów o spinie 2 są znacząco różne od zera, co jest sprzeczne z hipotezą, że struktura tych jąder może wynikać z ich drgań wokół kształtu kulistego. Te wyniki stały się podstawą publikacji, która ukazała się ostatnio w prestiżowym czasopiśmie Physics Letters B.

Opisane wyniki są częścią szerokiego międzynarodowego programu badawczego, mającego na celu określenie kształtów niskowzbudzonych stanów 0⁺ w parzysto-parzystych jądrach Cd, począwszy od ¹¹⁰Cd. Program ten realizowany jest przy wykorzystaniu uzupełniających się technik badawczych z użyciem najbardziej zaawansowanych systemów detekcyjnych. W jego ramach mgr Iwona Piętka przygotowuje pracę doktorską opartą na danych doświadczalnych zebranych z pomocą układu AGATA – spektrometru gamma najnowszej generacji. Praca ta realizowana jest w ramach Szkoły Doktorskiej Nauk Ścisłych i Przyrodniczych UW w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów pod kierownictwem dr Katarzyny Wrzosek-Lipskiej i dr hab. Leszka Próchniaka.

K. Wrzosek-Lipska, I.Z. Piętka, L. Próchniak, P.E. Garrett, M. Zielińska, T. Abraham, J.M. Allmond, F.L. Bello Garrote, H. Bidaman, V. Bildstein, S. Buck, C. Burbadge, M. Chiari, R. Coleman, G. Colombi, G. Colucci, A. Diaz Varela, D.T. Doherty, S. Dutt, B. Greaves, K. Hadyńska-Klęk, J. Heery, M. Hlebowicz, D. Hymers, J. Iwanicki, G. Jaworski, B. Jigmeddorj, D. Kalaydjieva, M. Kisieliński, M. Komorowska, N. Kopeć, M. Kowalczyk, J. Kowalska, K. Krutul-Bitowska, R. Kumar, A. Mai Quynh, N. Marchini, T. Marchlewski, K.R. Mashtakov, M. Matejska-Minda, C. Michelagnoli, A. Nannini, P.J. Napiorkowski, B. Olaizola, F. Oleszczuk, M. Palacz, E. Pasquali, E.E. Peters, M. Rocchini, E. Sahin, J. Samorajczyk-Pyśk, M. Saxena, A. Stolarz, J. Srebrny, A. Tucholski, A. Trzcińska, M. Venhart, J.L. Wood, S.W. Yates, T. Zidar

Deformation of the 0⁺_1,2 states in ¹¹⁰Cd from low-energy Coulomb excitation,
Physics Letters B, Volume 875, 2026, 140315, ISSN 0370-2693,
https://doi.org/10.1016/j.physletb.2026.140315.

Zespół eksperymentalny podczas pomiaru w SLCJ.

Część nadmiarowej energii wzbudzonych jąder atomowych, powyżej energii wiązania neutronu gromadzona jest w postaci gigantycznych rezonansów. Te stany wzbudzone opisywane są makroskopowo jako wibracje nukleonów w jądrze. Poprzez pomiar ich rozpadu gigantyczne rezonanse dostarczają informacji na temat własności jader atomowych, w których zostały wzbudzone. Najlepiej poznane są gigantyczne rezonanse dipolowe (giant dipole resonance – GDR), badane w procesie ich rozpadu poprzez emisję kwantów g, w wielu eksperymentach prowadzonych w ostatnich dekadach. W przeciwieństwie do GDR własności gigantycznych rezonansów kwadrupolowych (giant quadrupole resonance – GQR) nie są zbadane. Rozpad g GQR mierzono do tej pory tylko w reakcji nieelastycznego rozpraszania jonów ¹⁷O na ²⁰⁸Pb, w eksperymencie przeprowadzonym w latach 80-tych.  Wyniki tego eksperymentu są jedynym opublikowanym rezultatem badań rozpadu g GQR.

Dzięki uruchomieniu stanowiska eksperymentalnego dla badań fizyki jądrowej w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, nowo utworzonym ośrodku służącym do terapii hadronowej, rozpoczęto badania rozpadu g GQR z wykorzystaniem wiązki wysokoenergetycznych protonów. Praca opublikowana w Phys. Rev. C przedstawia wyniki pomiaru rozpadu g GQR dla jądra ²⁰⁸Pb przeprowadzonego jako jeden z pierwszych eksperymentów z fizyki jądrowej w CCB. Do wzbudzenia gigantycznych rezonansów zastosowano w nim reakcję nieelastycznego rozpraszania protonów o energii 85 MeV na tarczy ²⁰⁸Pb. Podczas eksperymentu mierzono jednocześnie energię rozproszonych protonów, niosącą informację o energii wzbudzenia jąder ²⁰⁸Pb, oraz energię kwantów g emitowanych w wyniku rozpadu stanów wzbudzonych. Analizowano przypadki odpowiadające rozpadowi do stanu podstawowego, dla których energia wzbudzenia była równa energii emitowanych kwantów g. Po uwzględnieniu obserwowanego rozpadu g GDR, uzyskano widmo kwantów g  emitowanych w procesie rozpadu GQR. W wyniku przeprowadzonej analizy wyznaczono prawdopodobieństwo rozpadu GQR poprzez emisję kwantów gamma, które wyniosło 3×10^-4. Otrzymana wartość potwierdza wcześniejszy wynik uzyskany w reakcji nieelastycznego rozpraszania jonów ¹⁷O.

Wasilewska, M. Kmiecik, M. Ciemała, A. Maj, F.C.L. Crespi, A. Bracco, M.N. Harakeh, P. Bednarczyk, S. Bottoni, S. Brambilla, F. Camera, I. Ciepał, N. Cieplicka-Oryńczak, M. Csatlos, B. Fornal, V. Gaudilla, J. Grębosz, J. Isaak, Ł.W. Iskra, M. Jeżabek, A.J. Krasznahorkay, S. Kihel, M. Krzysiek, P. Lasko, S. Leoni, M. Lewitowicz, J. Łukasik, M. Matejska-Minda, K. Mazurek, P.J. Napiorkowski, W. Parol, P. Pawłowski, L.Q. Qi, M. Saxena, Ch. Schmitt, Y. Sobolev, B. Sowicki, M. Stanoiu, A. Tamii, O. Wieland, M. Ziębliński

γ decay to the ground state from the excitations above the neutron threshold in the ²⁰⁸Pb(p,p′γ) reaction at 85 MeV

Phys. Rev. C 105, 014310 (2022)

DOI:10.1103/PhysRevC.105.014310

Efekt Josephsona jest zjawiskiem kwantowym występującym w nadprzewodnikach.
Polega na spontanicznym przepływie prądu, na skutek tunelowania, pomiędzy dwoma
nadprzewodnikami przedzielonymi cienką warstwą izolatora. Przepływ prądu wymuszany jest przez
różnicę faz funkcji falowych opisujących nadprzewodzące elektrony po obu
stronach izolatora. Taki układ nosi nazwę złącza Josephsona.
Zjawisko występuje w metalach, a także w ultrazimnych gazach
atomowych. Poszukiwania efektu Josephsona w układach jądrowych
trwają już niemal od półwiecza.
Analiza teoretyczna eksperymentów, w których zderzano Nikiel-60 i Cynę-116
dostarczyła silnych argumentów na powstanie złącza pomiędzy zderzającymi się jądrami.
W odróżnieniu od wcześniejszych pomiarów, w których badano przekrój czynny
na przekaz pary nukleonów, tym razem poddano analizie widmo promieniowania gamma.
Okazało się, że widmo emitowanych kwantów gamma zgadza się z przewidywaniami teoretycznymi
zakładającymi powstanie złącza (tzw. AC Josephson junction).

Piotr Magierski

The Tiniest Superfluid Circuit in Nature

Physics 14, 27 (2021)

DOI:10.1103/Physics.14.27